超声波互动电子白板系统的制作方法

文档序号:6602876阅读:212来源:国知局
专利名称:超声波互动电子白板系统的制作方法
技术领域
本发明属于将传感器应用于计算机与外界交流的技术,尤其涉及到利用超声波传 感器制作的超声波互动电子白板系统。
背景技术
随着互动多媒体技术的发展与应用,电子触摸屏在现实生活中普及化应用,人机 交互方式的多样化提供给用户极大的方便,互动电子白板系统是将人机交互应用在大屏幕 显示领域的人机交互系统,广泛用于教学、会议、办公,配合互动电子白板软件,可以实现无 尘粉笔、电子化备课、教学、课堂教学互动等功能,丰富教学内容,提高了教学质量。超声波是指频率在20Khz以上,人耳不能激起正常听觉反应的机械振动波,超声 波在空气中传播时能量衰减比较厉害,这样对检测超声波是非常不利的。中国专利文献CN 1595348A公开了一种遥控无线定位电子白板系统,申请号为 200410010955. 1,利用接收的超声波幅度来确定超声波达到超声波接收器的时间,由于超 声波在不同距离,不同方位,超声波接收器幅度差异较大,需要采用特殊的PVDF膜来增强 发射功率,采用提高放大倍数、可变增益放大器,使得白板系统在外界噪音干扰下,产生定 位误差,导致系统不能正常工作。中国专利文献CN 1595349A公开了一种基于软件无线电原理的电子白板系统,申 请号为200410010956. 6,采用基于高阶循环统计量的正交解调算法,对超声波信号进行处 理,利用正交解调算法,可以提高时延提取的准确性,但是仍然解决不了在同一个点超声波 信号发射笔倾斜后,由于超声波两个接收部件接收到不一样超声波信号,而产生的时延误 差,导致在信号笔运行中出现定位偏差现象。中国专利文献CN 1740958A公开了一种超声波定位控制装置及其方法,申请号为 200510076769. 2,采用鉴相器鉴别的调制信号,并且根据信号的相位特征判断出触摸点的 位置,然后利用数学公式进行计算,这个方法可以降低超声波前置硬件处理的复杂度,但是 同时也增加软件的复杂程度,引入更多误差,导致电子笔在运行中定位坐标在一定范围内 抖动现象,无法精准定位。中国专利文献CN 101029931A公开了一种超声波定位装置及其定位方法,申请号 为200710026504.0,采用自动增益电路将各个接收方向上的超声波信号放大,并通过脉冲 转换电路转换成脉冲信号,采用这个方法其本质还是采用幅值鉴定方法,由于超声波在不 同距离,不同方位,超声波接收器幅度差异较大,从而提取时延误差的产生是不可避免的, 且在外界噪音干扰下,产生定位误差,导致系统不能正常工作。以上四个专利都只能支持对角线80-90时左右的电子白板有效使用面积。

发明内容
本发明的目的在于克服上述互动电子白板系统存在缺点,提供一种不受外界干 扰,能精确定位、接收、判断信号笔所发的信号的超声波互动电子白板系统。
本发明所采用的技术方案为超声波互动电子白板系统,包括白板、信号笔、计算 机,其要点在于信号笔发射红外编码信号及超声波信号,所述的超声波波形方程为F(x) = x*sin(x) 当0 < x < t/2,其中t为超声波波形延续时间F(x) = (t-x)*sin(t-x) 当t/2 < x < t,其中t为超声波波形延续时间其中Pyl,Py2,Py3,Py4,Py5,Py6为超声波0 < x < t/2内,周期峰值,令超声波
周期为T则Pyl = (T/4)*sin(T/4) ---------------------1Py2 = (T/4+T)*sin(T/4+T) -------------------2Py3 = (T/4+2T)*sin(T/4+2T) -----------------3Py4 = (T/4+3T)*sin(T/4+3T) -----------------4Py5 = (T/4+4T)*sin(T/4+4T) -----------------5Py6 = (T/4+5T)*sin(T/4+5T) -----------------6由公式2/l、3/2、'4/3、5/4、6/5 得
S1=Py2,/Pyl =(T/4+T)*sin(T/4+T)/(T/4)/sin(T/4) = 4. 346
S2=Py3,/Py2 =(T/4+2T)*sin(T/4+2T)/(T/4+T)/sin(T/4+T)=1. 7923
S3=Py4,/Py3 =(T/4+3T)*sin(T/4+3T)/(T/4+2T)/sin(T/4+2T)=1.441
S4=Py5,/Py4 =(T/4+4T)*sin(T/4+4T)/(T/4+3T)/sin(T/4+3T)=1.300
S5=Py6,/Py4 =(T/4+5T)*sin(T/4+5T)/(T/4+4T)/sin(T/4+4T)=1.2392同时在信号笔中设定了特定的红外编码波形,接收信号的计算机中含有a)超声信号前置放大电路;b)红外信号前置放大电路;c) A/D采样电路与数字滤波电路;d)红外信号解码运算、超声波波形识别运算;e)由PDIUSB12芯片组成与PC进行USB协议通信,把超声波从发出到接收的时间 上传给PC机进行运算,计算机收到信号笔发出的信号后,排除杂波干扰,对红外信号解码 运算、超声波波形识别运算,并将运算结果形成指令给计算机,计算机再将结果显示到白板 上。对红外进行编码时,可以设定为有效的编码为4个连续高电平,前2个高电平与后 两个高电平之间宽度作为红外编码信号,即t = Pr2-Prl,根据t = Pr2-Prl的宽度可以断 定是否为电子笔发出的红外信号,其中t的时间范围为180us < t < 360us。超声波前置放大与红外信号前置放大电路,由LMV822运算放大器组成前置放大 电路。A/D采样电路与数字滤波电路,由DSP与多通道高速A/D采用芯片组成,其中A/D 采样芯片采用4通道TLV1562,DSP采用TMS320VC5509进行数字滤波。DSP对A/D采用的红外波形,与红外信号编码波形进行比对,比对结果相类似,则 判断为接收到信号笔发出的红外信号,启动计时,并开始接收并处理超声波信号。要进行超声波波形识别,并计算出两个超声波接收头接收到超声波信号的接收时 间,DSP接收到L路超声波信号,R路超声波信号,分别计算出S1、S2、S3、S4、S5,与S1’、S2’、 S3,、S4,、S5,,从 SI、S2、S3、S4、S5,与 S1,、S2,、S3,、S4,、S5,中,选择两个值最为接近的两个点,Sx与Sx’,以这两个点所对于的计时时间Tl,Tr作为超声波从发出到达两路超声波 接收时间。本发明的原理在于信号笔在白板板面书写时,会先发出红外编码信号,并同时发 送出超声波波形信号,由于光线传送速度极快可以忽略不计,红外接收传感器接收到微弱 的红外信号,经过红外前置放大器放大后,把放大后的信号给A/D芯片进行采样,得到8位 的数字信号,经过DSP的滤波算法,消除环境中红外干扰之后,再次对数字信号进行解码, 判断是否为超声波与红外发射笔发出的红外信号,如果是超声波与红外笔发出的红外信 号,则开始接收L、R两路超声波信号,超声波在空气中传输到达两个超声波接收头,超声波 传感器产生微弱的电信号,经过超声波前置放大电路放大,把放大后的超声波给A/D芯片 进行采样,得到L、R两路超声波8位的数字信号,经过DSP滤波算法,消除环境中杂波信号, 提取40Khz的超声波信号数据,DSP在记录超声波波形幅值同时也记录时间,根据拉格朗日 中值原理,求取得超声波正半周各个波峰,并记录波峰时间,这样子两路超声波的波峰值及 其波峰时间都是已知了,根据以下公式SI = Py2/Pyl = (T/4+T) *sin (T/4+T) / (T/4)/sin (T/4) = 4. 346S2 = Py3/Py2 = (T/4+2T)*sin(T/4+2T)/(T/4+T)/sin(T/4+T) = 1.7923S3 = Py4/Py3 = (T/4+3T)*sin(T/4+3T)/(T/4+2T)/sin(T/4+2T) = 1. 441S4 = Py5/Py4 = (T/4+4T)*sin (T/4+4T)/(T/4+3T)/sin(T/4+3T) = 1. 300S5 = Py6/Py4 = (T/4+5T)*sin (T/4+5T)/(T/4+4T)/sin(T/4+4T) = 1.2392我们可以进行L、R两路超声波进行比对,找出相同的S值,并且获得相同S值的时 间tl,tr,其中tl,tr就是我们想要得到超声波时延。根据tl、tr利用三角定位公式可以求解出超声波与红外发射笔距离超声波接收 器的距离。本系统的主要思想就是要突破超声波幅值限制,因为超声波在空气传输,在不同 距离,不同方位,超声波与红外发射笔与电子白板的倾斜程度不同都将产生L、R两路超声 波接收幅值不同,从而导致了超声波时延的误差,本发明主要是探索了超声波波形规律,计 算出超声波波形方程为f(x) = x*sin(X),利用该波形方程进行超声波波峰比对,突破了超 声波幅值对比误差,达到了即使L、R两路超声波接收的超声波波形幅值相差较大,也可以 准确计算出L、R波峰的时延。本系统另外一个突破就是红外信号编码,由于超声波互动电子白板在现实环境中 很容易受到光的干扰,比如日关灯、太阳管、投影仪、显示器发出光线的干扰,这种干扰其频 谱带很宽,普通的高低电平编码基本是无法抵消这种干扰,所以提出连续两串高低电平编 码,通过计算这两串高低电平编码之间的时间,来判断是否为超声波与红外发射笔发出的 红外信号。本发明突破了超声波幅值限定,可以增大超声波互动电子白板有效书写面积,可 以支持对角线0-120英寸任意尺寸的电子白板。


图1为本发明信号笔发送红外编码信号2为本发明信号笔发送超声波信号波形图及其波形方程
图3为本发明超声波与红外接收信号处理4为本发明硬件结构5为本发明程序流程图
具体实施例方式下面结合附图对本发明进行详细的描述如图1、图2、图3、图4、图5所示,超声波互动电子白板系统,包括白板、信号笔、计 算机,信号笔用于发射超声波信号与红外编码信号。1)信号笔先发送红外编码信号如图1所示2)信号笔发送红外编码信号之后,发送超声波信号,如图2所示。3)超声波信号接收电路如图3,如图4,接收到超声波波形图2,该超声波波形方程 为F(x) = x*sin(x) 当0 < x < t/2,其中t为超声波波形延续时间F(x) = (t-x)*sin(t-x) 当t/2 < x < t,其中t为超声波波形延续时间其中Pyl,Py2,Py3,Py4,Py5,Py6为超声波0 < x < t/2内,周期峰值,令超声波
周期为T则Pyl = (T/4)*sin(T/4) ---------------------1Py2 = (T/4+T)*sin(T/4+T) -------------------2Py3 = (T/4+2T)*sin(T/4+2T) -----------------3Py4 = (T/4+3T)*sin(T/4+3T) -----------------4Py5 = (T/4+4T)*sin(T/4+4T) -----------------5Py6 = (T/4+5T)*sin(T/4+5T) -----------------6由公式2/l、3/2、'4/3、5/4、6/5 得
S1=Py2,/Pyl =(T/4+T)*sin(T/4+T)/(T/4)/sin(T/4) = 4. 346
S2=Py3,/Py2 =(T/4+2T)*sin(T/4+2T)/(T/4+T)/sin(T/4+T)=1. 7923
S3=Py4,/Py3 =(T/4+3T)*sin(T/4+3T)/(T/4+2T)/sin(T/4+2T)=1.441
S4=Py5,/Py4 =(T/4+4T)*sin(T/4+4T)/(T/4+3T)/sin(T/4+3T)=1.300
S5=Py6,/Py4 =(T/4+5T)*sin(T/4+5T)/(T/4+4T)/sin(T/4+4T)=1.2392其波形如图2所示,超声波波形有两个阶段一个阶段为振幅不断上升的阶段,另 外一个阶段为振幅不断下降的衰减阶段,由于不同超声波接收传感器,其余振不同,其衰弱 阶段会不一样,所以采用超声波上升阶段作为特征阶段,进行波形识别。4)超声波接收与信号处理中含有a)超声信号前置放大电路;b)红外信号前置放大电路;c) A/D采样电路与数字滤波电路;d)红外信号解码运算、超声波波形识别运算;e)由PDIUSB12芯片组成与PC进行USB协议通信,把超声波从发出到接收的时间 上传给计算机进行运算,计算机收到信号笔发出的信号后,排除杂波干扰,对红外信号解码 运算、超声波波形识别运算,并将运算结果形成指令给计算机,计算机再将结果显示到白板上。5)红外信号编码发射,如图1,红外编码为持续的4个高电平脉冲,前2个高电平 脉冲与后2个高电平脉冲的时间差t = Pr2-Prl,根据t来判断是否为超声波与红外发射笔 发出的红外编码,其中t的时间范围为180us < t < 360us。t = 180us表示超声波与红外 发射笔的按下、t = 240表示弹起。6)超声波前置放大与红外信号前置放大电路,一般由LMV822运算放大器组成,A/ D采样电路与数字滤波电路,由DSP与多通道高速A/D采用芯片组成,其中A/D采样芯片采 用4通道TLV1562,DSP采用TMS320VC5509进行数字滤波。红外接收传感器接收到红外编码信号后,经过前置放大后,把模拟信号发送给A/ D采样芯片TLV1562进行采样,转换成数字信号,并暂存在TMS320VC5509芯片的RAM中, TMS320VC5509对采样的数字信号进行滤波,提取有效的红外信号,屏蔽环境红外干扰信号, 计算出前2个高电平脉冲与后两个高电平脉冲的时间差t = Pr2-Prl,判断t的值,进行超 声波与红外发射笔的书写、弹起、按键的识别及其处理。DSP对A/D采用的红外波形,与红外信号编码波形进行比对,比对结果相类似,则 判断为接收到信号笔发出的红外信号,启动计时,并开始接收并处理超声波信号。7)进行超声波波形识别方法,并计算出两个超声波接收头接收到超声波信号的接 收时间,DSP接收到L路超声波信号,R路超声波信号,分别计算出S1、S2、S3、S4、S5,与S1’、 S2,、S3,、S4,、S5,,从 SI、S2、S3、S4、S5,与 S1,、S2,、S3,、S4,、S5,中,选择两个值最为接 近的两个点,Sx与Sx’,以这两个点所对于的计时时间Tl,Tr作为超声波从发出到达两路超 声波接收时间。即现在RAM存储有L、R两路超声波正波峰值,L路LPyl,LPy2、LPy3、LPy4、LPy5, 及其对于时间点 LT1,LT2, LT3, LT4, LT5,求出 LSI,LS2, LS3, LS4, LS5 ;R 路RPyl,RPy2、RPy3、RPy4、RPy5,及其对于时间 RT1,RT2, RT3, RT4, RT5,求出 RSI, RS2,,RS3, RS4, RS5 ;从LSI,LS2,LS3,LS4,LS5 与 RS1,RS2,,RS3,RS4,RS5 找出最相近的两个值,及其 对应时间点Tl,Tr,则Tl,Tr则为我们所要求的。由于 LSI,LS2, LS3, LS4, LS5 与 RS1,RS2,,RS3, RS4, RS5 是波峰幅值比,其值与波 形幅值无直接关系,所以通过此算法可以解决超声波在不同距离、不同方位、及其超声波与 红外发射笔倾斜而产生的L、R两超声波接收信号相差太大的问题,这样子无需加大笔的发 射功率,可以把超声波与红外发射笔做到很小巧。当DSP识别到是超声波与红外发射笔发出的红外编码信号后,会切换A/D采用芯 片TLV1562对L、R两路超声波信号同时进行采样,获取L、R超声波8位的数字信号,并把数 据存储到DSP TMS320VC5509的RAM中,TMS320VC5509对采样的两路超声波信号进行数字 滤波,提取40Khz的超声波数字信号数据,并存储在RAM,然后利用中值定理,计算中两路数 字波形中的正峰值,存储各峰值的时间点在RAM中。DSP TMS320VC5509计算出Tl、Tr后通过USB接口芯片PDIUSB12把这两个数据上 传给PC机,PC机接收到数据后,对这两个数据进行三角定位计算出超声波与红外发射笔距 离超声波接收器的位置,其计算公式如下根据三角函数公式
arcA = arccos((1000*1000+Tr*Tr_Tl*Tl)/2000/Tr);X = Tr*cos(2. 3561944901923-arcA);Y = Tr*Sin(2. 3561944901923-arcA);计算出X,Y即为超声波与红外信号发射笔的相对位置计算得出的X、Y还不是PC机鼠标真实位置坐标,必须经过PC机屏幕显示分辨率 的计算后,才能得到鼠标坐标位置、超声波与红外发射笔的对应位置,其公式如下要把超声波与红外发射笔位置转换成PC机的鼠标位置,要进行定位换算,Mx为x 方向换算比例,My为y方向换算比例,Dx为屏幕x方向分辨率,Dy为屏幕y方向分辨率,则 PC鼠标的位置为x’,y’x,= X*Mx/Dxf = Y*My/Dy本发明的保护范围并不限于上述实施例,凡与本发明的技术方案相同或者等同的 技术内容落入其保护范围内。
权利要求
超声波互动电子白板系统,包括白板、信号笔、计算机,其特征在于信号笔发射红外编码信号及超声波信号,所述的超声波波形方程为F(x)=x*s i n(x)当0<x<t/2,其中t为超声波波形延续时间F(x)=(t-x)*s i n(t-x)当t/2<x<t,其中t为超声波波形延续时间其中Py1,Py2,Py 3,Py4,Py5,Py6为超声波0<x<t/2内,周期峰值,令超声波周期为T则Py1=(T/4)*s in(T/4)---------------------1Py2=(T/4+T)*s in(T/4+T)-------------------2Py3=(T/4+2T)*s in(T/4+2T)-----------------3Py4=(T/4+3T)*s in(T/4+3T)-----------------4Py5=(T/4+4T)*s in(T/4+4T)-----------------5Py6=(T/4+5T)*s in(T/4+5T)-----------------6由公式2/1、3/2、4/3、5/4、6/5得S1=Py2/Py1=(T/4+T)*s in (T/4+T)/(T/4)/s in(T/4)=4.346S2=Py 3/Py2=(T/4+2T)*s i n(T/4+2T)/(T/4+T)/s i n(T/4+T)=1.7923S3=Py4/Py3=(T/4+3T)*s in (T/4+3T)/(T/4+2T)/s in (T/4+2T)=1.441S4=Py5/Py4=(T/4+4T)*s in (T/4+4T)/(T/4+3T)/s in (T/4+3T)=1.300S5=Py6/Py4=(T/4+5T)*s in(T/4+5T)/(T/4+4T)/s in(T/4+4T)=1.2392同时在信号笔中设定了特定的红外编码波形,接收信号的计算机中含有a)超声信号前置放大电路;b)红外信号前置放大电路;c)A/D采样电路与数字滤波电路;d)红外信号解码运算、超声波波形识别运算;e)由PDIUSB12芯片组成与PC进行USB协议通信,把超声波从发出到接收的时间上传给计算机进行运算,计算机收到信号笔发出的信号后,排除杂波干扰,对红外信号解码运算、超声波波形识别运算,并将运算结果形成指令给计算机,计算机再将结果显示到白板上。
2.根据权利要求1所述的超声波互动电子白板系统,其特征在于,对红外进行编码时, 可以设定为有效的编码为4个连续高电平,前2个高电平与后两个高电平之间宽度作为红 外编码信号,即t = Pr2-Prl,根据t = Pr2-Prl的宽度可以断定是否为电子笔发出的红外 信号,其中t的时间范围为180us < t < 360us。
3.根据权利要求1所述的超声波互动电子白板系统,其特征在于,超声波前置放大与 红外信号前置放大电路,由LMV822运算放大器组成前置放大电路。
4.根据权利要求1所述的超声波互动电子白板系统,其特征在于,A/D采样电路与数字 滤波电路,由DSP与多通道高速A/D采用芯片组成,其中A/D采样芯片采用4通道TLV1562, DSP采用TMS 320VC5509进行数字滤波。
5.根据权利要求4所述的超声波互动电子白板系统,其特征在于,DSP对A/D采用的红 外波形,与红外信号编码波形进行比对,比对结果相类似,则判断为接收到信号笔发出的红 外信号,启动计时,并开始接收并处理超声波信号。
6.根据权利要求4所述的超声波互动电子白板系统,其特征在于,要进行超声波波形识别,并计算出两个超声波接收头接收到超声波信号的接收时间,DSP接收到L路超声波信 号,R 路超声波信号,分别计算出 SI、S2、S3、S4、S5,与 SI’、S2’、S3’、S4’、S5’,从 SI、S2、 S3、S4、S5,与SI,、S2,、S3,、S4,、S5,中,选择两个值最为接近的两个点,Sx与Sx,,以这两 个点所对于的计时时间Tl,Tr作为超声波从发出到达两路超声波接收时间。
7.根据权利要求1所述的超声波互动电子白板系统,其特征在于,信号笔,用于发射超 声波信号与红外编码信号,且先发送红外编码信号,延时一定时间后,再进行超声波信号发 射。
8.根据权利要求7所述的超声波互动电子白板系统,其特征在于,所述的延时一定时 间为延时600us。
全文摘要
本发明属于将传感器应用于计算机与外界交流的技术,尤其涉及到利用超声波传感器制作的超声波互动电子白板系统。本发明包括白板、信号笔、计算机,其要点在于信号笔发射红外编码信号及超声波信号,接收信号的计算机中含有a)超声信号前置放大电路;b)红外信号前置放大电路;c)A/D采样电路与数字滤波电路;d)红外信号解码运算、超声波波形识别运算;e)由PDIUSB12芯片组成与PC进行USB协议通信,把超声波从发出到接收的时间上传给PC机进行运算,对红外信号解码运算、超声波波形识别运算,并将运算结果形成指令给计算机,将结果显示到白板上。本发明突破了超声波幅值限定,增大超声波互动电子白板有效书写面积,支持对角线0-120时的电子白板。
文档编号G06F3/043GK101853111SQ20101017984
公开日2010年10月6日 申请日期2010年5月21日 优先权日2010年5月21日
发明者丁万年, 陈日良 申请人:福州锐达数码科技有限公司
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